Спосіб коагулювання високодисперсного діоксиду кремнію та пристрій для його здійснення

1. Спосіб коагулювання високодисперсного диоксиду кремнію, що включає охолодження продуктів високотемпературної реакції тетрахлориду кремнію з парами води в полум'яному факелі від 1270-1670 до 550-720 К, введення газодисперсного потоку в коагуляційний пристрій зі швидкістю 610 м/с і витримування цього потоку в останньому до об'єднання аеродисперсних частинок продукту в агломерати з одночасним подальшим його охолодженням до 420-520 К, який відрізняється тим, що газодисперсному потоку по довжині коагуляційного пристрою 2-6 раз надають гвинтоподібного завихрення з витримуванням вказаної швидкості потоку при вводі в кожну зону завихрення і подальшим зниженням швидкості між зонами завих A (54) СПОСІБ КОАГУЛЮВАННЯ ВИСОКОДИСПЕРСНОГО ДІОКСИДУ КРЕМНІЮ ТА ПРИСТРІЙ ДЛЯ ЙОГО ЗДІЙСНЕННЯ 31280 цього потоку в останньому до об'єднання дрібних частинок продукту в значно більші за розмірами агломерати, придатні для відділення в циклонах, а для пристрою - те, що він виконаний в вигляді довгого трубопроводу. До недоліків відомого технічного рішення відноситься значна довжина коагуляційного трубопроводу, яка становить 56-100 м, і, відповідно, великі капітальні та експлуатаційні витрати, оскільки його виготовляють з титанових або алюмінієвих сплавів. Крім того, при вказаних швидкостях проходить осідання і налипання продукту на стінках, що порушує режим охолодження газодисперсного потоку і також збільшує довжину трубопроводу. Найбільш близьким за технічною суттю (прототипом) до способу, що пропонується, є спосіб коагулювання високодисперсного диоксиду кремнію німецької фірми "Дегусса", який від аналога відрізняється тим, що швидкість введення газів в коагуляційному трубопроводі і по його довжині, з метою усунення осідання продукту на стінках, витримують в межах 6-10 м/с шляхом циркуляції частини газового потоку, який відділяють після коагулятора (див.: Техн. проект № 2772 виробництва диоксиду кремнію - аеросилу: Пояснююча записка. – Калуш: ПКВ ВО "Хлорвініл", 1987. - С.17-19, 33, 47, 48). Загальними суттєвими ознаками цього способу і способу, що пропонується, є охолодження продуктів високотемпературної реакції одержання високодисперсного диоксиду кремнію до вказаних температур, введення газодисперсного потоку в трубчастий коагулятор і витримування в ньому при збільшеній до 6-10 м/с швидкості потоку протягом певного часу. До недоліків відомого способу слід віднести збільшення в 1,5-3 рази довжини труби-агломератора і в 2-9 разів - його гідравлічного опору, що підвищує енерговитрати на проведення процесу, а також ускладнення установки за рахунок байпасних комунікацій для створення циркуляції газового потоку з метою підтримання його швидкості в коагуляторі на необхідному рівні. Найбільш близьким за технічною суттю пристроєм - прототипом до предмету винаходу є розміщений на вході в довгий трубопровід статичний змішувач типу Komax, зіставлений із кількох, підряд установлених, ідентичних секцій для створення гвинтоподібного завихреного руху потоку в трубопроводі. Для газодисперсного потоку кількість секцій повинна складати 2-4 (див.: Американская техника и промышленность: Сборник рекламных материалов. - США: ф-ма "Чилтон Ко"; СССР: "Внешторгреклама", 1978. - С. 128-130). Кожна секція змішувача виконана із пластини овальної форми, яка розрізана по довгій осі з обох сторін до фокусів овалу, одержані сектори відігнуті в різні боки під кутом 45°, причому з кожного боку від цієї осі сектори також відігнуті в різні боки і скріплені з сусідніми секціями так, що їх довгі осі співпадають. Загальними суттєвими ознаками відомого пристрою і пристрою, що пропонується, є те, що він встановлюється в трубопроводі з метою створення гвинтоподібного завихреного руху газодисперсного потоку і що він виготовлений з однакових секцій пластинчастої форми, розбитих на окремі сектори, кінці яких відігнуті під кутом до площини пластини. Недоліками відомого пристрою є складність конструкції і те, що його конструкція дозволяє створювати гвинтоподібний завихрений потік переважно тільки на невеликій початковій довжині трубопроводу, в якому він установлений, а також значний гідравлічний опір статичного змішувача. В основу винаходу поставлено задачу розробити спосіб підвищення ефективності процесу коагулювання високодисперсного диоксиду кремнію без збільшення довжини коагуляційного трубопроводу шляхом використання максимально простого за конструкцією пристрою, який дозволив би збільшити швидкість руху газодисперсного потоку і ймовірність частішого зближення і зіткнення частинок продукту для їх агрегації в крупні агломерати без суттєвого росту гідравлічного опору вузла коагуляції. Вказаний технічний результат при здійсненні групи винаходів, що пропонуються, по об'єкту спосіб досягається тим, що для коагулювання диоксиду кремнію продукти високотемпературної реакції тетрахлориду кремнію з парами води в полум'яному факелі охолоджують від 1270-1670 до 550-720 К, вводять їх в коагуляційний пристрій при швидкості потоку 6-10 м/с, в якому витримують до коагулювання частинок продукту в агломерати з одночасним охолодженням газодисперсного потоку до 420-520 К. Спосіб відрізняється тим, що газодисперсному потоку по довжині коагуляційного пристрою 2-6 разів надають гвинтоподібного завихрення з витримуванням на вході в кожну зону завихрення коагулятора швидкості 6-10 м/с і подальшим зниженням швидкості між зонами завихрення потоку до 25 м/с, причому переважно в зустрічних напрямках для сусідніх зон. Сукупність вказаних суттєвих ознак, що пропонуються, тобто охолодження продуктів реакції від 1270-1670 до 550-720 К, надання по довжині коагуляційного пристрою 2-6 гвинтоподібних завихрень потоку при швидкості введення потоку в зону завихрень на рівні 6-10 м/с з подальшим зниженням швидкості потоку між зонами завихрення газодисперсного потоку до 4-5 м/с, причому з витримуванням в сусідніх зонах переважно зустрічних напрямків завихрення і охолодженням до 420520 К, забезпечує досягнення необхідного технічного результату - підвищення ефективності процесу за рахунок одержання агломератів частинок диоксиду кремнію, розміром 5-20 мкм, при меншій довжині коагуляційного трубопроводу і, в більшості випадків, - меншому гідравлічному опорі вузла коагуляції продукту, підтверджуючи цим наявність причинно-наслідкового зв'язку між сукупністю суттєвих ознак, що пропонуються, і технічним результатом, який при цьому досягається. Вказаний технічний результат при здійсненні групи винаходів по об'єкту - пристрій досягається тим, що пристрій для коагулювання високодисперсного диоксиду кремнію виконано в вигляді довгого трубопроводу зі статичними змішувачами для гвинтоподібного завихрення потоку, які мають форму плоскої пластини, розбитої на 2 і більше секторів прорізами з відігнутими під кутом до площини пластини краями, і, у відповідності до винаходу, що пропонується, відрізняється тим, що коагуляційний трубопровід за допомогою статичних змі 2 31280 шувачів ділять на 2-6 однакових секцій, причому статичні змішувачі встановлюють на вході в кожну секцію, форма пластин змішувачів кругла, а прорізи в пластинах радіальні і виконані на половину внутрішнього діаметра коагуляційного трубопроводу. В залежності від виконання статичного змішувача один з країв радіальних прорізів відгинають на половину ширини секторів по всій їх довжині в один із боків на кут, який становить 30-60° до площини пластини, або відгинають обидва краї радіальних прорізів в протилежні боки на кут 1530° від площини пластини. Сукупність суттєвих ознак, що пропонуються, стосуються пристрою для коагулювання високодисперсного диоксиду кремнію, тобто що він містить поділений на однакові по довжині секції довгий трубопровід-коагулятор, на вході яких встановлено статичні змішувачі для гвинтоподібного завихрення газодисперсного потоку, що мають форму круглої пластини, розбитої на декілька секторів радіальними прорізами, краї яких, в залежності від виконання, можуть відгинатися або тільки в один або протилежні боки на кут 30-60 та 15-30°, дозволяє забезпечити досягнення необхідного технічного результату - спрощення конструкції як самого коагулятора за рахунок відсутності байпасного трубопроводу, так і статичних змішувачів, а також - збільшення швидкості руху газодисперсного потоку в зоні змішувачів і на деякій довжині кожної секції коагуляційного трубопроводу за рахунок виникнення зворотних потоків в ньому при гвинтоподібному завихреному руху основного потоку вздовж коагулятора та збільшення, внаслідок цього, ймовірності частішого зближення і зіткнення частинок продукту, що сприяє підвищенню ступеню коагулювання високодисперсного диоксиду кремнію, зменшенню осідання і налипання скоагульованих частинок на стінках трубопроводу та покращенню тепловіддачі від трубопроводу в навколишнє середовище, що, в свою чергу, також покращує процес коагулювання. При цьому час коагулювання зменшується в 2-3 рази, що дозволяє не тільки не збільшувати гідравлічний опір системи, а, навпаки, - зменшити його. Все це підтверджує наявність причинно-наслідкового зв'язку між сукупністю суттєвих ознак, що пропонуються, і технічним результатом, який при цьому досягається. При цьому, група винаходів, що пропонуються, відповідає вимозі єдності винаходу, оскільки вона створює єдиний винахідницький задум щодо вирішення поставлених технічних задач. Схема пристрою показана на фіг. 1-5: на фіг. 1 наведено схему здійснення способу коагулювання та загальний вигляд пристрою, який складається із труби-коагулятора 1, розділеної на окремі однакові секції 2, та статичних змішувачів 3, закріплених на вході кожної секції за допомогою фланців 4; на фіг. 2-3 зображено принципову конструкцію двох виконань статичного змішувача 3 для створення гвинтоподібного завихрення потоку в трубі-коагуляторі 1; на фіг. 4 зображено поперечний переріз виконання статичного змішувача 3, в якому відгинають тільки один край радіального прорізу (розріз А-А фіг. 2); на фіг. 5 зображено поперечний переріз виконання статичного змішувача 3, в якому відігнуті обидва краї радіальних прорізів (розріз А-А фіг. 3). Статичний змішувач 3 (фіг. 2, 3) виконують у вигляді круглої пластини 5, в якій зроблені радіальні прорізи 6, що розбивають її на сектори 7. В пластині 5 можуть бути виконані додаткові надрізи 8 по дузі внутрішнього діаметру труб коагулятора 2 до середини секторів 7 в тому випадку, коли краї 9 цих секторів відгинають в один з боків на 3060° від площини пластини 5 (див. фіг. 4). При іншому виконанні змішувача 3 надрізів 8 не роблять, а краї 9 та 10 радіальних прорізів 6 відгинають в протилежні боки на 15-30° від площини пластини 5 (фіг. 5). При цьому між краями 9 та 10 секторів 7 утворюються проходи 11 для подавання газодисперсного потоку із однієї секції 2 в сусідню секцію 2 труби-коагулятора 1. Зовнішній діаметр пластин 5 виконують таким, що дорівнює зовнішньому діаметру фланців 4. Для закріплення в фланцях 4 пластини 5 статичних змішувачів 3 оснащені отворами 12. Статичні змішувачі 3 між фланцями 4 закріплюють таким чином, щоб в сусідніх секціях 2 створювати, переважно, зустрічні напрямки завихрення потоку. Працює пристрій таким чином. Охолоджений від 1270-1670 до 550-720 К газодисперсний потік вводять в трубу-коагулятор 1, поділену статичними змішувачами 3 на 2-6 однакових секцій 2, причому змішувачі 3 встановлюють на вході кожної секції. Тут він відігнутими краями 9 та 10 секторів 7 спрямовується в проходи 11 і подається при швидкості 6-10 м/с окремими потоками в кожну секцію 2 труби-коагулятора 1 під кутом до його осі, за рахунок чого і створюється гвинтоподібний завихрений потік газу і частинок вздовж кожної секції 2. При цьому, в зоні завихрення за кожним статичним змішувачем 3, проходить розгін газодисперсного потоку до швидкості, яка приблизно в 2-2,5 рази більша за швидкість ядра стабілізованого турбулентного потоку перед змішувачем 3, де вона зменшена до 2-5 м/с. За рахунок цього, після статичного змішувача 3 в секції 2 окремі потоки газів з частинками продукту роблять декілька (5-10) витків навколо осі труби-коагулятора 1 з такою ж швидкістю, практично не змішуючись, а потім швидкість поступово зменшують до 2-5 м/с, і потоки змішуються між собою в один турбулентний потік. Останнє проходить також за 5-10 витків сповільненого газодисперсного потоку майже до повного зникнення гвинтоподібного його руху. Протягом довжини трубопроводу в зонах завихрення, де потік рухається гвинтоподібно, по осі трубопровода виникає зворотний потік, що сприяє збільшенню ймовірності зближення і зіткнення частинок продукту для їх агрегації в крупні агрегати типу "сніжинок". При цьому також витримується більша швидкість потоку біля стінок труби-коагулятора, що не дає агрегованим частинкам осідати на них, а оскільки, за рахунок виникнення відцентрових сил, біля стінок труби збільшується концентрація як агрегатованого так і не агрегатованого продукту, то це також сприяє їх більш частому зіткненню між собою і підвищенню ступеню коагуляції продукту. Останньому також сприяє 2-6 разовий розгін потоку до 6-10 м/с в статичних змішувачах та витриму 3 31280 вання зустрічних напрямків завихреного потоку в сусідніх секціях. Практично повна відсутність осідання частинок на стінках труби-коагулятора 1 підвищує тепловіддачу в навколишнє середовище і прискорює охолодження газодисперсного потоку до необхідної температури (420-520 К), що дозволяє зменшити кількість секцій 2, тобто загальну довжину коагулятора 1. Експериментально встановлено, що необхідний ступінь коагулювання, при якому в циклонах можна відділити 95-97% продукту, досягається при 2-6 разовому розгоні газодиспереного потоку до 6-10 м/с, тобто при розділенні труби коагулятора на 2-6 секцій і встановленні такої ж кількості статичних змішувачів 3 перед кожною секцією 2 та при тривалості часу агрегатування частинок в межах 6-15 с, що дозволяє в подальшому зменшити швидкість потоку до 2-5 м і, відповідно, довжину коагулятора в 1,5-2 рази. Приклади виконання способу Приклад 1. В результаті реакції в полум'яному факелі між 102,77 кг/год тетрахлориду кремнію з 23,46 кг/год перегрітої водяної пари при температурі 1340 К отримують 35,91 кг/год високодисперсного диоксиду кремнію з розміром частинок 510 нм та 210,67 кг/год газових продуктів. Газодисперсну суміш охолоджують до 573 К і в кількості 323,1 м3/год подають в трубу-коагулятор діаметром 0,2 м, яка поділена на 4 секції по 8 м довжиною кожна статичними змішувачами, встановленими на вході в кожну секцію. В цьому прикладі пластини змішувачів мали 4 сектори з відігнутими тільки в одну сторону краями на кут 45°, за допомогою чого одразу за змішувачами витримувалася швидкість потоку: після першого змішувача 8,6 м/с і після останнього, в зв'язку з подальшим охолодженням газодисперсного потоку до 433 К і зменшенням величини газодисперсного потоку до 244,2 м3/год, - 6,51 м/с. За рахунок виникнення зворотного потоку величиною 105-120 м3/год, в незавихрених зонах окремих секцій труби-коагулятора швидкість знизили до 5 м/с, що дало можливість витримати час перебування в трубі-коагуляторі біля 6,4 с і отримати агломерати продукту, розміром 5-20 мкм. При осадженні їх в каскаді із трьох циклонів ступінь відділення продукту становив 97%. Описане вище в прикладі 1 виконання способу та інші приклади коагулювання високодисперсного диоксиду кремнію у відповідності до способу, що пропонується, наведені в таблиці, де для порівняння наведені також показники для відомих способів (прототипів для способу і пристрою). Таким чином, представлені в таблиці матеріали показують, що група винаходів, яка пропонується, має переваги над відомими винаходами і при здійсненні коагулювання в трубопроводі, що постачений секціями статичних змішувачів, в якому декілька разів створений завихрений гвинтоподібний потік з підвищеною швидкістю газів і продукту, дозволяє значно зменшити час процесу і, відповідно, довжину труби-коагулятора, знизити гідравлічний опір коагулятора, а також покращити ефективність процесу, за рахунок чого одержують агломерати більших розмірів і підвищують ступінь їх відділення в циклонах, тобто зменшують втрати продукту з газами, особливо, коли напрями завихрення в сусідніх секціях труби-коагулятора - зустрічні. Таблиця Умови і результати коагулювання високодисперсного диоксиду кремнію Приклад 1 2 1 2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Швидкість потоку, ХарактерисКільм/с тика стат. зм. кість Довжина ГідравлічСтупінь Час коастатитрубиний опір відділ. на вигулюв трубі коагулякоагуляпродукту в чних К-ть Кут, ході вання, с коагулятора, м тора, Па циклоні, % статич. змішу- сек.. град тора змішув. вачів Аналог (Калуський дослідно-експериментальний завод Ін-ту хім. пов. НАН України) 2,5 23,7 56 98,1 94,9 4,0 22,5 90 133,6 95,1 Прототип (фірма “Дегусса”, Німеччина) 6,0 21,7 130 300,6 95,9 10,0 18,0 180 835,1 96,5 Спосіб, що пропонується (відгинання країв пластин в один бік) 5,0 6,5-8,6 4 4 45 6,4 32 114,1 97,0 4,6 6,0-7,9 4 4 45 7,0 32 96,6 96,2 5,5 7,5-10 5 4 45 7,3 40 215,7 97,1 5,0 6,5-8,6 4 4 30 6,4 32 113,7 96,9 5,0 6,5-8,6 4 4 60 6.4 32 115,0 97,0 5,0 6,5-8,6 4 2 60 6,4 32 112,8 95,3 5,0 6,5-8,6 4 6 60 6,4 32 118,5 97,1 5,0 6,5-8,6 2 4 60 6,4 32 114,3 95,4 5,0 6,5-8,6 6 4 60 6,4 32 115,7 97,1 (відгинання обох країв пластин в протилежні боки) 5,0 6,5-8,6 4 4 15 6,4 32 113,8 96,8 5,0 6,5-8,6 4 4 30 6,4 32 114,5 97,0 5,0 6,5-8,6 4 2 30 6,4 32 112,4 95,3 5,0 6,5-8,6 4 6 30 6,4 23 116,3 97,1 4 31280 Продовження таблиці Приклад 14 15 16 17 18 19* Швидкість потоку, м/с на вив трубі ході коагулястатич. тора змішув. 5,0 6,5-8,6 5,0 6,5-8,6 5,5 7,5-10 4,6 6,0-8,6 4,0 5,0-8,0 5,0 6,5-8,6 Кількість статичних змішувачів 2 6 6 6 6 4 Характеристика стат. зм. К-ть сек.. 4 4 4 4 4 4 Довжина трубикоагулятора, м Гідравлічний опір коагулятора, Па Ступінь відділ. продукту в циклоні, % 6,4 6,4 5.8 8,7 8,7 6,4 Кут, град Час коагулювання, с 32 32 32 40 40 32 114,1 114,9 139,0 97,3 73,5 114,0 95,1 97,1 97,0 95,4 94,8 97,1 30 30 30 30 30 15 Примітка: * Для зустрічного напрямку завихрення в сусідніх секціях труби-коагулятора Фіг. 1 5 31280 Фіг. 2 Фіг. 3 Фіг. 4 6 31280 Фіг. 5 __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2002 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 35 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 7